Повышение гидрофильности угольно черный Порошковые частицы играют ключевую роль в улучшении стабильности дисперсии в воде и повышении совместимости с полярными средами. Это критически важно в таких областях, как производство покрытий, чернил и резиновых композитов.
Поверхностный химикат Модификация
Окислительная модификация
- Газофазное окисление: Ozone, oxygen, or plasma treatment is used to introduce oxygen-containing functional groups (such as carboxyl and hydroxyl groups) onto the carbon black surface. For example, oxygen plasma treatment significantly increases the oxygen content on the surface, reduces the contact angle to below 40°, and improves dispersion stability.
- Жидкофазное окисление: Используются окислители, такие как азотная кислота и перекись водорода. Окисление азотной кислотой (концентрация 10% при 70°C в течение 3 часов) эффективно удаляет органические вещества с поверхности и повышает гидрофильность.
- Анодное окисление/Плазменное окисление: Ускоряет реакции окисления в электрическом поле, повышая эффективность более чем на 30% по сравнению с традиционными методами. Однако необходим контроль температуры для предотвращения чрезмерного окисления и разложения кислородсодержащих групп.
Модификация прививки
- Прививка полиакриловой кислоты: При pH=3 и использовании инициатора персульфата аммония 0,5% в течение 2 часов стабильность дисперсии технического углерода в воде улучшается на 50%.
- Сополимеры с сульфокислотными группами (например, 2-акриламидо-2-метилпропансульфонат натрия): Вводит сильные гидрофильные группы для улучшения дисперсии посредством электростатического отталкивания.
- Прививка методом свободнорадикальной полимеризации: Под воздействием ультразвукового излучения гидрофильные полимеры (такие как полиакриловая кислота и полистиролсульфонат натрия) прививаются к поверхности технического углерода.
- Прививка гребнеобразного сополимера: Полиэтиленсульфонат натрия (ПСС) адсорбируется на поверхности технического углерода посредством π-π-конъюгации с последующим 12-часовым измельчением в шаровой мельнице. Полученная дисперсия технического углерода стабильна и подходит для мокрого смешивания резины.
Физическое покрытие и диспергатор Модификация
Polymer Coating
- Микроэмульсионное полимеризационное покрытие: Например, для покрытия порошка технического углерода используются производные полиэтиленгликоля или анионные поверхностно-активные вещества (например, АКН-2290). Массовое соотношение технического углерода и поверхностно-активного вещества составляет 1:0,05–1, а высокоскоростной сдвиг образует гидрофильную оболочку.
- Фазоразделительное покрытие: Гидрофобная сажа покрывается гидрофильными полимерами (например, поливиниловым спиртом) посредством самосборки интерфейса, образуя структуру «ядро-оболочка» с эффективностью активации >95%.
Применение диспергатора
- Анионные/неионогенные поверхностно-активные вещества: Примерами служат додецилсульфат натрия и серия O (от O-10 до O-35). Они снижают поверхностное натяжение технического углерода, улучшая смачиваемость.
- Силановые связующие агенты: Examples like Si-69 (TESPT), typically used for white carbon black, modify the carbon black powder by combining hydrophobic groups with the carbon black and exposing hydrophilic groups, though this process is more costly.
Оптимизация процессов и вспомогательные методы
Mechanical-Chemical Treatment
- Шаровая мельница активация: Шаровая мельница для измельчения технического углерода с полистиролсульфонатом натрия (ПСС) в течение 12 часов. Механическое воздействие разрушает агрегаты, а ПСС повышает гидрофильность за счёт π-π адсорбции. Этот метод идеально подходит для композитов на основе натурального каучука.
- Ультразвуковое облучение: Сокращает время реакции прививки на 50%, снижает потребление энергии и предотвращает разложение группы из-за чрезмерного нагрева.
Плазменная терапия
- Обработка кислородной плазмой в условиях вакуума увеличивает количество поверхностных кислородных функциональных групп в течение 5 минут, повышая дисперсию (значение D) на 30%, без образования загрязняющих веществ.
Сборка, вызванная солью
- Добавление следовых количеств катионов (таких как Li⁺ или Na⁺) усиливает сродство между техническим углеродом и водой посредством катион-π взаимодействий. Гистерезис угла смачивания значителен, что делает его пригодным для систем на водной основе.
Проверка приложений и оптимизация производительности
- Резиновые композиты: Гидрофильный технический углерод при использовании в латексных смесях повышает прочность на разрыв на 40% и значительно улучшает однородность дисперсии наполнителя.
- Чернила/покрытия на водной основе: Carbon black grafted with polyacrylic acid improves particle size stability, reducing clogging during inkjet printing.
- Экологические соображения: Системы закрытой грануляции в сочетании с рекуперацией отработавших газов сокращают выбросы пыли более чем на 90%.
Заключение
Основой улучшения гидрофильности сажевого порошка является введение полярных функциональных групп и снижение стерических затруднений. Для экономичных вариантов предпочтительны окислительная модификация (окисление азотной кислотой в жидкой фазе) или нанесение поверхностно-активных веществ. Для высокопроизводительных процессов идеально подходит ультразвуковая прививка полиакриловой кислоты или гребнеобразных сополимеров в сочетании с шаровой мельницей. Для экологичных процессов обработка кислородной плазмой в сочетании с применением связующих агентов Si-69 обеспечивает как эффективность, так и экологические преимущества.